2. CAN协议物理层与帧结构精讲

CAN总线能在汽车、工业控制等强干扰环境中长期可靠工作，根本原因在于它的物理层设计与帧结构设计是配套的。理解这一层，是后续在PIC32上配置CAN模块、排查通信故障的前提。本节从差分信号讲起，逐层展开到位定时、帧格式、仲裁与错误界定。

一、差分信号与显性/隐性电平

CAN使用一对差分线CANH与CANL传输信号，总线电平由两者电压差决定，而不是对地电压。这样做的直接好处是：共模干扰同时叠加在两根线上，接收端取差值后被抵消。ISO 11898-2高速CAN的典型电平定义如下：

这里有一个容易混淆的点：CAN的“0”是显性，“1”是隐性，与常规数字逻辑相反。显性电平具有“压倒”隐性电平的能力——只要总线上有一个节点发送显性位，整条总线就呈现显性。这一物理特性正是仲裁机制的基础。总线两端必须各接一个120Ω终端电阻，使隐性状态下差分阻抗匹配、快速回到共模电平，否则信号反射会导致位采样错误。

二、位定时与采样点

CAN是异步通信，没有独立时钟线，每个节点靠自己的振荡器对位时间进行划分。一个位时间被分为四个段：同步段（Sync_Seg，固定1个TQ）、传播段（Prop_Seg）、相位缓冲段1（Phase_Seg1）和相位缓冲段2（Phase_Seg2）。采样点位于Phase_Seg1结束处。

位时间以时间份额TQ为单位，TQ = (BRP+1)/f_CAN。以PIC32的CAN模块为例，若系统时钟为80MHz，目标波特率500kbps，取BRP=7，则TQ=8/80MHz=100ns，一个位时间10个TQ正好是1μs。若把采样点设在75%，即Sync_Seg=1TQ、Prop_Seg+Phase_Seg1=6.5TQ（取6TQ）、Phase_Seg2=3TQ，采样点落在第7个TQ末。采样点太靠前，信号尚未稳定；太靠后，留给再同步的余量不足。工程上500kbps常用75%~87.5%的采样点，长线或高干扰场合可适当后移。

再同步分为硬同步和重同步。硬同步只在帧起始的SOF下降沿发生，强制把位时间起点对齐；重同步在后续每个边沿根据相位误差调整Phase_Seg1或Phase_Seg2，调整量受SJW（同步跳转宽度）限制，SJW通常取1~4个TQ。SJW过小无法吸收振荡器漂移，过大则可能引入误判。

三、标准帧与扩展帧格式

CAN 2.0B定义了两种帧格式。标准帧使用11位标识符，扩展帧使用29位标识符（11位基本ID + 18位扩展ID）。两者在仲裁段之后的结构基本一致，区别集中在仲裁段和控制段。

• 标准帧：SOF(1) + 标识符(11) + RTR(1) + IDE(1) + r0(1) + DLC(4) + 数据(0~8字节) + CRC(15) + CRC界定符(1) + ACK槽(1) + ACK界定符(1) + EOF(7)。
• 扩展帧：SOF(1) + 基本ID(11) + SRR(1) + IDE(1) + 扩展ID(18) + RTR(1) + r1(1) + r0(1) + DLC(4) + 数据 + CRC + ACK + EOF。

IDE位区分两种格式：IDE=0为标准帧，IDE=1为扩展帧。RTR位区分数据帧与远程帧：RTR=0为数据帧，RTR=1为远程请求帧。DLC为4位，取值0~8表示数据长度，超过8的值在经典CAN中按8处理。CRC段为15位，接收节点计算后与发送值比较，不一致则报错。

四、仲裁机制

当多个节点同时开始发送时，CAN采用非破坏性逐位仲裁。每个节点在发送每一位的同时回读总线电平：若自己发隐性而读到显性，说明有更高优先级节点在竞争，该节点立即退出发送、转为接收，且不丢失数据。标识符数值越小，优先级越高，因为显性位（0）在仲裁中胜出。

标准帧与扩展帧混合竞争时，由于标准帧的IDE位为显性、扩展帧的SRR为隐性，相同基本ID下标准帧优先。这也是工程中建议对实时性要求高的报文使用标准帧的原因之一。

五、错误检测与故障界定

CAN定义了五种错误类型：位错误、填充错误、CRC错误、格式错误和应答错误。发送节点在仲裁段之外回读总线，若发现电平与发送不符即为位错误；帧中连续5个相同极性位后必须插入1个相反位，违反即为填充错误；CRC校验失败为CRC错误；固定格式字段出现非法电平为格式错误；发送节点在ACK槽未收到显性应答为应答错误。

每个节点维护两个计数器：发送错误计数TEC和接收错误计数REC。检测到错误时相应计数器加1或加8，成功发送/接收时减1。根据计数值，节点处于三种状态：

• 错误主动：TEC和REC均≤127，正常参与通信，检测到错误时发送主动错误帧（6个连续显性位）。
• 错误被动：TEC或REC超过127，仍能通信，但发送被动错误帧（6个隐性位），且在总线空闲后需等待暂停传输时间才能再次发送。
• 总线关闭：TEC超过255，节点自动脱离总线，停止收发。需检测到128次连续11个隐性位后，才能恢复为错误主动状态。

把物理层、位定时、帧结构、仲裁和错误界定串起来看，CAN的可靠性并非来自某一项技术，而是差分传输、位填充、CRC、应答和故障界定共同构成的闭环。后续在PIC32上配置CAN模块时，BRP、Prop_Seg、Phase_Seg1/2、SJW这几个参数直接对应本节讲到的位定时结构，理解它们的作用，才能根据实际总线长度和干扰情况做出合理取舍。